直升機(jī)駕駛艙可達(dá)性仿真分析評(píng)估

黃育龍 李正

摘要：隨著直升機(jī)駕駛艙技術(shù)的發(fā)展，飛行員對(duì)操縱舒適性和飛行安全的要求不斷提升，駕駛艙不僅要滿足常用飛行安全和執(zhí)行任務(wù)的需要，而已，由于布置了多種備用操縱設(shè)備以彌補(bǔ)飛行中單一設(shè)備的故障問(wèn)題或潛在缺陷，因此會(huì)使得駕駛艙空間進(jìn)一步增大，嚴(yán)重影響了飛行員的操縱可達(dá)性，該文主要從可達(dá)性設(shè)計(jì)的角度，對(duì)駕駛艙的可達(dá)性評(píng)估要求和評(píng)估方法進(jìn)行了分析，并采用CATIA軟件的SAFEWORK模塊對(duì)駕駛艙的操縱可達(dá)性進(jìn)行了仿真分析，對(duì)于直升機(jī)駕駛艙的研制和后續(xù)的改型設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：直升機(jī);駕駛艙;可達(dá)性;虛擬仿真

中圖分類號(hào)：TP319? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）23-0247-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

在直升機(jī)的整個(gè)駕駛飛行過(guò)程中，駕駛艙可達(dá)性的優(yōu)劣程度會(huì)直接影響到飛行員操縱的舒適性和飛行的安全性[1]，當(dāng)飛行員處于緊張或危急狀態(tài)下，如若可達(dá)性設(shè)計(jì)不合理，會(huì)直接導(dǎo)致操縱失敗而影響直升機(jī)飛行安全。因此，很有必要對(duì)直升機(jī)駕駛艙[2]進(jìn)行可達(dá)性仿真分析，以降低因設(shè)計(jì)問(wèn)題而導(dǎo)致事故發(fā)生的概率，提升飛行安全性。

1? 可達(dá)性評(píng)估要求

1.1 駕駛艙可達(dá)性評(píng)估范圍

直升機(jī)駕駛艙布局需滿足第5百分位～第95百分位的飛行員群體使用，可滿足各任務(wù)剖面巡航飛行舒適性要求，其中駕駛艙幾何尺寸應(yīng)使第50百分位數(shù)（身高1708mm）的飛行員操縱性處于最合適的位置，應(yīng)至少使第5百分位數(shù)（身高1639mm）至第95百分位數(shù)（身高1786mm）的飛行員便于操作。

1.2 駕駛艙操縱性要求

在飛行員操縱直升機(jī)時(shí)，應(yīng)避免任何誤碰和誤操作。操縱桿的任何動(dòng)作應(yīng)能在飛行員正常眼位條件下完成，操作按鈕和按鍵應(yīng)在手掌不移動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)手不離桿的操作，應(yīng)保證握桿和手柄舒適，適宜長(zhǎng)時(shí)間使用。飛行員需能夠監(jiān)視系統(tǒng)自動(dòng)工作過(guò)程，進(jìn)行手動(dòng)操作，且應(yīng)該確保飛行員手動(dòng)操作的可達(dá)性、快速性、準(zhǔn)確性和安全性。

1.3 飛行員人體尺寸分析

飛行員人體尺寸主要是指飛行員以飛行駕駛姿態(tài)位于飛行員座椅上，左手握住總距桿手柄，右手握住周期變距桿手柄，雙腳踩住腳蹬的姿態(tài)尺寸。主要分為手部尺寸和腳部尺寸。

1.3.1 手部空間的可達(dá)性

根據(jù)飛行員在座椅上系安全帶的不同情況，將手臂的可達(dá)性分為以下3個(gè)區(qū)域（見圖1所示）：第1區(qū)為在系緊安全帶的狀況下，且在手臂在自然伸展情況下，手能夠達(dá)到和操作的區(qū)域，其范圍半徑應(yīng)≤685mm。第2區(qū)為在系緊安全帶的狀況下，使手臂在最大伸展的情況下，手能夠達(dá)到和操作的區(qū)域，其范圍半徑應(yīng)≤720mm。第3區(qū)為不系安全帶的狀況下，并且在手臂在最大伸展的情況下，能夠達(dá)到和操作的功能區(qū)域，其范圍半徑為1170mm。

1.3.2 腳部空間的可達(dá)性

正駕駛和副駕駛的雙腳主要用于操控腳蹬，其操縱性范圍如圖2所示。

2? 可達(dá)性仿真分析

2.1 構(gòu)建駕駛艙評(píng)估模型

在滿足正常的直升機(jī)視界的要求下，直升機(jī)駕駛艙并列式雙駕駛包含有1塊儀表板、中央操縱臺(tái)、左右側(cè)操縱臺(tái)、頂部操縱臺(tái)和2個(gè)飛行員座椅。首先，在CATIA軟件[3]中構(gòu)建某直升機(jī)駕駛艙結(jié)構(gòu)、內(nèi)飾以及相關(guān)操控設(shè)備模型，并進(jìn)行組裝完成。隨后，構(gòu)建5百分位和95百分位的中國(guó)人體模型，將虛擬人置于設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)，進(jìn)行手部和腳部的可達(dá)性仿真評(píng)估。

2.1.1 操縱系統(tǒng)可達(dá)性

駕駛艙的操縱系統(tǒng)主要是指總距桿、周期變距桿和腳蹬，因此飛行員以飛行駕駛姿態(tài)位于駕駛座椅上，左手握住總距桿手柄，右手握住周期變距桿，雙腳抵住腳蹬。

（1）總距桿?？偩鄺U通常由飛行員左手握住抬放操作來(lái)實(shí)現(xiàn)總距桿行程?？紤]到總距桿操縱行程中，總距桿手柄位于低距位時(shí)，總距桿手柄距飛行員肩關(guān)節(jié)距離最遠(yuǎn)，即對(duì)飛行員左手可達(dá)性進(jìn)行評(píng)估。從圖3可以看出，低距位的總距桿手柄能使95百分位飛行員左手輕松抵達(dá)握住，而對(duì)于5百分位飛行員，需要身體稍做下傾或側(cè)斜才能握住低距位總距桿手柄，因此需適當(dāng)抬高高總距桿的安裝位置。（2）周期變距桿。周期變距桿由飛行員右手握住，當(dāng)位于行程前限位置時(shí)，周期變距桿手柄距飛行員肩關(guān)節(jié)距離最遠(yuǎn)，因此，采用5百分位人體模型握住周期變距桿手柄，分別抵至周期變距桿行程前限位置，從圖4可知，5百分位飛行員右手均能輕松握住周期變距桿手柄，可見周期變距桿設(shè)計(jì)滿足飛行員可達(dá)性要求。（3）腳蹬。腳蹬需由飛行員雙腳踩踏，通過(guò)踩踏來(lái)控制直升機(jī)偏航。在腳蹬行程過(guò)程中，前極限位置的腳蹬會(huì)使飛行員腳掌離髖關(guān)節(jié)距離最遠(yuǎn)，即對(duì)飛行員腳可達(dá)性要求最高，由圖4可知，5百分位飛行員腳蹬均能踩踏位于行程前限位置的腳蹬，滿足可達(dá)性要求。

2.1.2 儀表板可達(dá)性

通過(guò)模擬飛行員操作儀表板上的顯控器件，評(píng)估儀表板可達(dá)性。由圖3～圖5可知，95百分位飛行員右手食指可以在正常坐姿狀態(tài)下點(diǎn)按儀表板上的注意燈，而對(duì)于5百分位飛行員，需要右傾或前傾上身才能觸及主注意燈，因此儀表板的設(shè)計(jì)應(yīng)該使得板面位置前移30mm。

2.1.3 操縱臺(tái)的可達(dá)性

操縱臺(tái)一般包括中央操縱臺(tái)、左側(cè)操縱臺(tái)、右側(cè)操縱臺(tái)和頂部操縱臺(tái)。中央操縱臺(tái)上的控制開關(guān)件通常由副駕駛右手操作或主駕駛左手操作，由于中央操縱臺(tái)后部控制面板上開關(guān)距離飛行員肩關(guān)節(jié)最遠(yuǎn)，故分析飛行員食指對(duì)此部位開關(guān)的可達(dá)性。從圖5可知，5百分位副駕駛右手食指可以觸及中央操縱臺(tái)燃油控制面板上的撥動(dòng)開關(guān)，故滿足可達(dá)性要求，由于正副駕駛員沿中心軸對(duì)稱，同理，主駕駛飛行員同樣滿足。

左側(cè)操縱臺(tái)由副駕駛員左手食指操縱、右側(cè)操縱臺(tái)由主駕駛右手食指操縱，結(jié)合圖3～圖5可知，5百分位副駕駛左手食指可以觸及左側(cè)操縱臺(tái)全部操縱設(shè)備，5百分位的正駕駛員右手食指可以觸及右側(cè)操縱臺(tái)全部操縱設(shè)備，因此滿足可達(dá)性要求。

頂部操縱臺(tái)上的控制開關(guān)件通常由副駕駛右手操作或主駕駛左手操作。以左側(cè)飛行員為例，分析5百分位飛行員右手食指對(duì)頂部操縱臺(tái)上控制開關(guān)的可達(dá)性。結(jié)合圖3～圖5可以看出，左飛行員右手食指可以觸及頂部操縱臺(tái)上的控制開關(guān)，甚至是斷路器板上的控制鍵，因此滿足可達(dá)性要求。由于正副駕駛員延中心軸對(duì)稱，同理，主駕駛飛行員同樣滿足可達(dá)性要求。

3 結(jié)論

直升機(jī)總體布置是不斷設(shè)計(jì)、評(píng)估的反復(fù)迭代過(guò)程，本文采用人機(jī)工效學(xué)理論對(duì)直升機(jī)駕駛艙的可達(dá)性分析評(píng)估進(jìn)行了探索，制定了可達(dá)性評(píng)估要求和方法，并采用CATIA軟件在方案階段對(duì)直升機(jī)駕駛艙可達(dá)性進(jìn)行了仿真分析評(píng)估，方便提前暴露設(shè)計(jì)問(wèn)題，并進(jìn)行完善設(shè)計(jì)方案，對(duì)于駕駛艙研制具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜俊敏.人為因素與飛行安全[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2016.

[2] 馬智.飛機(jī)駕駛艙人機(jī)一體化設(shè)計(jì)方法研究[D].西北工業(yè)大學(xué)，2014.

[3] 王東勃，郭寧生，崔源潮，等.基于駕駛適應(yīng)性的運(yùn)輸機(jī)駕駛艙CATIA人因工程分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010（3）.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】